一種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其包括：設(shè)計(jì)一套適用于微型鎧裝熱電偶的標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)并制作用于提供模擬的器上安裝環(huán)境的防熱層結(jié)構(gòu)塊；對待標(biāo)定鎧裝熱電偶和防熱層結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行安裝和配置，從而進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備工作；相對于不同的防熱層結(jié)構(gòu)塊，記錄溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)；將溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和處理，以獲得待標(biāo)定鎧裝熱電偶的溫度測量轉(zhuǎn)換公式和在軌測溫誤差公式，從而完成地面標(biāo)定操作。因此，本發(fā)明既解決了微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定問題，又能模擬器上工作環(huán)境，標(biāo)定出在軌測溫誤差，從而修正了在軌測量數(shù)據(jù)。
【專利說明】
一種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微型鎧裝熱電偶地面標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微型鎧裝熱電偶的地面 標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在再入返回大氣過程中為保持返回器艙內(nèi)溫度滿足設(shè)備工作與存儲要求，返回器 針對性設(shè)計(jì)有相應(yīng)防熱層。防熱層處于返回器的最外部，是返回器的重要防熱結(jié)構(gòu)，再入返 回過程中直接與大氣摩擦，通過燒蝕和隔熱等2種方式阻止熱量向返回器艙內(nèi)傳遞。返回 器在再入返回過程中與大氣摩擦產(chǎn)生的熱能由外向內(nèi)加熱返回艙，因此防熱層溫度由艙外 向艙內(nèi)依次降低，不同深度的溫度呈梯度式分布，且同一深度的溫度變化較快。
[0003] 然而，地面分析、計(jì)算和模擬較難準(zhǔn)確獲取返回器防熱層設(shè)計(jì)所依據(jù)的熱流數(shù)據(jù)， 因此，在軌詳細(xì)記錄返回過程中防熱層不同位置不同深度的溫度變化歷程，對返回器的防 熱設(shè)計(jì)具有重要的意義。
[0004] 熱電偶具有測溫范圍寬（_200°C~2315°C )、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小和溫度響應(yīng)靈敏等 優(yōu)點(diǎn)，既適合防熱層溫度變化范圍較寬的在軌測量要求，又能記錄防熱層溫度的變化歷程。 裸偶測量精度高，但質(zhì)地柔軟，不易固定，且難以控制安裝深度，不適合直接用于防熱層溫 度的在軌測量。為使熱電偶易于固定和安裝深度控制，并適應(yīng)在軌力學(xué)環(huán)境，從而成功用于 返回器防熱層溫度的在軌測量，需對裸偶進(jìn)行加固鎧裝。鎧裝熱電偶有露端型、接殼型和絕 緣型等3種形式，在地面燃燒爐溫度測量方面有大量應(yīng)用。改進(jìn)的絕緣型微型鎧裝熱電偶 也已成功應(yīng)用在某型號返回器防熱層不同位置不同深度的在軌測溫。
[0005] 熱電偶加固鎧裝后，測量端增加了加固材料，熱傳導(dǎo)特性發(fā)生改變，需要重新對其 進(jìn)行標(biāo)定。地面用鎧裝熱電偶按照J(rèn)JF1262-2010《鎧裝熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行標(biāo)定， 300°C以下在油恒溫槽中進(jìn)行標(biāo)定，而300°C以上在管式檢定爐中進(jìn)行標(biāo)定，但都要求測量 端插入中心恒溫區(qū)深度大于測量端面直徑的10倍。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的標(biāo)定方法對于返回 器用微型鎧裝熱電偶的標(biāo)定存在以下缺陷：
[0006] 1)返回器防熱層厚度有限、安裝空間狹小，要求測溫用鎧裝熱電偶采用微型化設(shè) 計(jì)，具有尺寸小、測溫端可插入部分短等特點(diǎn)，不能滿足傳統(tǒng)標(biāo)定方法要求測溫端插入恒溫 區(qū)的長度，無法采用傳統(tǒng)方法標(biāo)定；以及
[0007] 2)在再入返回過程中返回器防熱層不同深度的溫度呈梯度式分布且同一深度的 溫度變化較快，鎧裝熱電偶測量端熱場復(fù)雜，很可能導(dǎo)致測溫誤差，需要標(biāo)定出誤差對在軌 測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。
[0008] 另外，由于傳統(tǒng)標(biāo)定方法的恒溫區(qū)熱場均勻，且溫度持續(xù)不變，與鎧裝熱電偶在軌 實(shí)際工作環(huán)境不一致，不能獲取在軌測溫誤差數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服鎧裝熱電偶傳統(tǒng)標(biāo)定方法的不足，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的溫度呈梯度式 分布且同一深度溫度變化較快的防熱結(jié)構(gòu)測溫用微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定問題，本發(fā)明 提出了一種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方案。
[0010] 本發(fā)明提供了一種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，用于對溫度呈梯度式分布且 同一深度溫度變化快的防熱結(jié)構(gòu)測溫用的微型鎧裝熱電偶進(jìn)行地面標(biāo)定。該方法包括以下 步驟：步驟一，設(shè)計(jì)一套適用于微型鎧裝熱電偶的標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)并制作用于提供模擬器上 安裝環(huán)境的防熱層結(jié)構(gòu)塊；步驟二，對待標(biāo)定鎧裝熱電偶和防熱層結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行安裝和配置， 從而進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備工作；步驟三，相對于不同的防熱層結(jié)構(gòu)塊，記錄以溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)標(biāo)定的 待標(biāo)定鎧裝熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和以溫度變化曲線為基準(zhǔn)標(biāo)定的 待標(biāo)定鎧裝熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)；以及步驟四，將溫度點(diǎn)測 量數(shù)據(jù)和溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和處理，以獲得待標(biāo)定鎧裝熱電偶的溫度測量轉(zhuǎn) 換公式和在軌測溫誤差公式，從而完成地面標(biāo)定操作。
[0011] 具體地，在步驟一中執(zhí)行：設(shè)計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)，從而為微型鎧裝熱電偶提供至少包 括平面恒溫環(huán)境、在軌被測位置溫度變化模擬和溫度采集的條件功能；以及采用與返回器 上防熱層相同的材料，制作小型的防熱層結(jié)構(gòu)塊并在其上鉆取安裝通孔。
[0012] 優(yōu)選地，標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)至少包括：平面恒溫場、溫度跟隨子系統(tǒng)、和溫度采集子系 統(tǒng)，防熱層結(jié)構(gòu)塊的厚度與待標(biāo)定鎧裝熱電偶的安裝深度相同，安裝通孔的直徑與待標(biāo)定 鎧裝熱電偶的測溫端相同，以及防熱層結(jié)構(gòu)塊提供了模擬的器上安裝環(huán)境，從而使待標(biāo)定 鎧裝熱電偶的測溫端的熱傳導(dǎo)條件與在軌工作時(shí)保持一致。
[0013] 具體地，在步驟二中執(zhí)行：將多支K型熱電偶和1支I級標(biāo)準(zhǔn)的S型熱電偶規(guī)律地 布置在平面恒溫場的銅板表面上；輸入待標(biāo)定的溫度點(diǎn)和溫度變化曲線，以對平面恒溫場 的溫度均勻性和溫度跟隨子系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，從而滿足標(biāo)定試驗(yàn)的要求；將待標(biāo)定鎧 裝熱電偶仿照器上安裝方式，插入小型的防熱層結(jié)構(gòu)塊的安裝通孔；以及將裝有待標(biāo)定鎧 裝熱電偶的防熱層結(jié)構(gòu)塊安裝到平面恒溫場上，使待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫端面和防熱層 結(jié)構(gòu)塊與平面恒溫場緊密貼合，從而確保待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫端熱環(huán)境與在軌工作環(huán) 境一致。
[0014] 優(yōu)選地，K型熱電偶為鎳鉻-鎳硅裸偶，為K型熱電偶的測溫?cái)?shù)據(jù)用于監(jiān)測平面恒 溫場的溫度均勻性，以及S型熱電偶的測溫?cái)?shù)據(jù)用于作為標(biāo)定參照。
[0015] 在本發(fā)明中，步驟三包括：在待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫要求范圍內(nèi)選擇三個(gè)以上 的溫度點(diǎn)并從低到高逐個(gè)進(jìn)行標(biāo)定；以及當(dāng)平面恒溫場的溫度升高至與給定溫度一致并保 持恒定后，記錄待標(biāo)定鎧裝熱電偶與S型熱電偶的溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，其中，相對于每個(gè)溫度 點(diǎn)，測溫的操作至少執(zhí)行四次。
[0016] 額外地，步驟三還包括：更換防熱層結(jié)構(gòu)塊，并重新在平面恒溫場上安裝待標(biāo)定鎧 裝熱電偶和更換后的新防熱層結(jié)構(gòu)塊；通過溫度跟隨子系統(tǒng)控制平面恒溫場的溫度按照給 定的溫度變化曲線來變化；以及記錄在平面恒溫場的溫度變化過程中待標(biāo)定鎧裝熱電偶與 S型熱電偶的溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)，
[0017] 在步驟四中執(zhí)行：將待標(biāo)定鎧裝熱電偶與S型熱電偶的溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和溫度變 化曲線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；對溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)采用分段線性計(jì)算處理，從而得到待標(biāo)定鎧 裝熱電偶的溫度測量轉(zhuǎn)換公式；以及對溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)采用誤差最小二乘擬合處 理，從而得到待標(biāo)定鎧裝熱電偶的在軌測溫誤差公式。
[0018] 在本發(fā)明中，溫度測量轉(zhuǎn)換公式為：
[0020] 其中，T為待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測量溫度并且單位為°C，a為待標(biāo)定鎧裝熱電偶的 測量電動勢并且單位為μ V，ajp a 2為溫度點(diǎn)且a 2> a p kp h為溫度測量轉(zhuǎn)換公式的系 數(shù)，以及Si為為第1個(gè)標(biāo)定溫度點(diǎn)的S型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量溫度。
[0021] 在軌測溫誤差擬合公式為：ΔΤη= Sn_Tn，n = 1，2，…N_1，N，其中，ΔΤ為待標(biāo)定 鎧裝熱電偶的測溫偏差并且單位為°C，Sn為標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的第η個(gè)測量溫度，T n為待標(biāo) 定鎧裝熱電偶的第η個(gè)測量溫度。
[0022] 最小二乘擬合處理所采用的二次多項(xiàng)式為：ΛΤ = aQ+aiX+a2X2,其中，a。、ai、 &2為 在軌測溫誤差擬合公式的系數(shù)，以及X為待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測量溫度。
[0023] 額外地，本發(fā)明的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法還可以包括：在獲得待標(biāo)定鎧 裝熱電偶的在軌電動勢之后，利用溫度測量轉(zhuǎn)換公式計(jì)算獲得待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測量溫 度量；以及利用在軌測溫誤差公式對測量溫度量進(jìn)行誤差修正。
[0024] 因此，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，既解決微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定問題，又能模擬 器上工作環(huán)境，標(biāo)定出在軌測溫誤差，以修正在軌測量數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法的流程圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的返回器防熱層測溫微型鎧裝熱電偶的三維 外觀示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的返回器防熱層測溫微型鎧裝熱電偶（屬于絕 緣型鎧裝熱電偶）的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的返回器用微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定試驗(yàn) 系統(tǒng)的組成圖，其中描述了返回器用微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)及各部分的連接 關(guān)系；
[0029] 圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的返回器防熱層小型結(jié)構(gòu)塊的俯視示意圖，其 中示出了按照待標(biāo)定鎧裝熱電偶外形結(jié)構(gòu)加工后的返回器小型防熱層結(jié)構(gòu)塊的結(jié)構(gòu)；
[0030] 圖6是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的恒溫場銅板平面S型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及K型熱電 偶的布置不意圖；
[0031] 圖7是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的待標(biāo)定鎧裝熱電偶及防熱層結(jié)構(gòu)塊的安裝 示意圖，其中描述了待標(biāo)定鎧裝熱電偶及防熱層結(jié)構(gòu)安裝后的狀態(tài)；
[0032] 圖8是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的待標(biāo)定鎧裝熱電偶的給定溫度變化曲線示 意圖，其中給出了待標(biāo)定鎧裝熱電偶測量對象的給定溫度變化曲線；
[0033] 圖9是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的待標(biāo)定鎧裝熱電偶在軌測量返回器防熱層 溫度的誤差曲線示意圖，其中給出了待標(biāo)定鎧裝熱電偶在軌測量返回器防熱層相應(yīng)位置溫 度的誤差曲線；以及
[0034] 圖10是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所涉及的待標(biāo)定鎧裝熱電偶在軌測量返回器防熱層 溫度的誤差擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 應(yīng)了解，在軌測量防熱層的溫度對返回式航天器（返回器）防熱設(shè)計(jì)具有重要意 義，經(jīng)加固鎧裝的熱電偶可用于返回器防熱層的在軌測溫。鎧裝熱電偶測量端的熱傳導(dǎo)特 性發(fā)生了變化，需要地面重新標(biāo)定。返回器防熱層厚度有限、安裝空間狹小，要求測溫用鎧 裝熱電偶采用微型化設(shè)計(jì)，具有尺寸小、測溫端可插入部分短等特點(diǎn)，然而這就不能滿足現(xiàn) 有技術(shù)中的標(biāo)定方法要求測溫端插入恒溫區(qū)的長度。另外，現(xiàn)有技術(shù)中的標(biāo)定方法不能模 擬實(shí)際在軌工作環(huán)境，不能標(biāo)定鎧裝熱電偶在溫度呈梯度式分布且變化較快的防熱層中進(jìn) 行測溫的誤差。本發(fā)明提出的這種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，既解決微型鎧裝熱電 偶的地面標(biāo)定問題，又能模擬器上工作環(huán)境，標(biāo)定出在軌測溫誤差，以修正在軌測量數(shù)據(jù)。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法的基本實(shí)施過程如下：
[0037] (一）試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
[0038] 重新設(shè)計(jì)一套標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)，包括平面恒溫場、溫度跟隨和溫度采集等子系統(tǒng)，為 微型鎧裝熱電偶提供平面恒溫環(huán)境、在軌被測部位溫度變化模擬和溫度采集等方面的條件 和功能。
[0039] (二）防熱層結(jié)構(gòu)塊制作
[0040] 采用返回器上防熱層相同的材料，制作小型防熱層結(jié)構(gòu)塊，厚度與鎧裝熱電偶的 安裝深度相同，并在結(jié)構(gòu)塊上鉆取安裝通孔，直徑與鎧裝熱電偶測溫端相同。小型防熱層結(jié) 構(gòu)塊提供模擬的器上安裝環(huán)境，使得鎧裝熱電偶測溫端的熱傳導(dǎo)條件與在軌工作時(shí)一致。
[0041] (三）試驗(yàn)準(zhǔn)備
[0042] 將若干支K型裸偶（熱電偶）和1支I級標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶有規(guī)律的布置在平面恒 溫場中，其中K型裸偶的測溫?cái)?shù)據(jù)用于監(jiān)測平面恒溫場的溫度均勻性，S型熱電偶的測溫?cái)?shù) 據(jù)作為標(biāo)定的參照。輸入需標(biāo)定的溫度點(diǎn)和溫度變化曲線，對平面恒溫場的溫度均勻性及 溫度跟隨子系統(tǒng)性能進(jìn)行評估，以滿足標(biāo)定試驗(yàn)要求。
[0043] 將鎧裝熱電偶仿照器上安裝方式，插入小型防熱層結(jié)構(gòu)塊安裝孔，并將裝有鎧裝 熱電偶的防熱層結(jié)構(gòu)塊安裝上平面恒溫場，使得熱電偶測溫端面及防熱層結(jié)構(gòu)塊與平面恒 溫場緊密貼合，確保鎧裝熱電偶測溫端熱環(huán)境與在軌工作環(huán)境一致。
[0044] (四）試驗(yàn)實(shí)施
[0045] 在待標(biāo)定銷裝熱電偶測溫要求范圍內(nèi)選擇3個(gè)以上溫度點(diǎn)，從低到高逐個(gè)標(biāo)定， 當(dāng)平面恒溫場溫度升高至與給定溫度一致并保持恒定后，記錄待標(biāo)定鎧裝熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)S 型熱電偶的測量數(shù)據(jù)，每個(gè)溫度點(diǎn)必須測溫4次以上。
[0046] 更換防熱層結(jié)構(gòu)塊，重新在平面恒溫場上安裝鎧裝熱電偶及防熱層結(jié)構(gòu)塊，溫度 跟隨子系統(tǒng)控制平面恒溫場溫度按照給定溫度變化曲線變化，記錄平面恒溫場溫度變化過 程中待標(biāo)定鎧裝熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的測量數(shù)據(jù)。
[0047] (五）數(shù)據(jù)處理
[0048] 將待標(biāo)定鎧裝熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，對溫度點(diǎn)標(biāo)定的數(shù) 據(jù)采用分段線性計(jì)算處理得到待標(biāo)定鎧裝熱電偶的溫度測量轉(zhuǎn)換公式，對溫度變化曲線標(biāo) 定的數(shù)據(jù)采用誤差最小二乘擬合處理，得到待標(biāo)定鎧裝熱電偶的在軌測溫誤差公式。
[0049] 下面結(jié)合附圖2-10及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0050] 接下來，以返回器防熱層測溫的絕緣型鎧裝熱電偶地面標(biāo)定為例，待標(biāo)定熱電偶 的三維外觀如圖2所示，結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示，選擇3支h、hl和h2均為7. 5mm、10mm和20mm 的鎧裝熱電偶作為待標(biāo)定樣本。
[0051] 第一步，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由平面恒溫場、溫度跟隨和溫度采集子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成 示意圖如圖4所示。平面恒溫場子系統(tǒng)主要由小型紅外燈陣及恒溫場銅板平面組成。恒溫 場銅板平面在紅外燈陣的加熱條件下保持全銅板平面溫度均勻，構(gòu)成恒溫平面。溫度跟隨 子系統(tǒng)核心部分為紅外燈陣熱量輸出控制算法，以標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶及K型熱電偶測溫?cái)?shù)據(jù) 的平均值為被控對象控制紅外燈陣電流輸出，從而使恒溫場銅板平面的溫度與給定溫度點(diǎn) 一致，或按照給定溫度曲線變化。溫度采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集待標(biāo)定鎧裝熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)S型熱 電偶和K型熱電偶的測量數(shù)據(jù)。
[0052] 第二步，按照待標(biāo)定鎧裝熱電偶的外形結(jié)構(gòu)，采用與返回器防熱層相同的材料制 作一個(gè)Φ 70mm圓柱形小型防熱層結(jié)構(gòu)塊，厚度為6. 5mm，并在Φ 50mm內(nèi)垂直打3個(gè)2. 1mm 的通孔，俯視示意如圖5所示。小型防熱層結(jié)構(gòu)塊厚度比待標(biāo)定鎧裝熱電偶可插入部分h 的長度小1_，以確保待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫端平底與恒溫平面緊密貼合安裝。
[0053] 第三步，在恒溫場銅板平面上面布置1支標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶和8支K型熱電偶，其中 1支標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶和4支K型熱電偶均勻布置在Φ 100mm的圓周上，另外4支K型熱電偶 均勾布置在Φ150πιπι的圓周上，2個(gè)圓周的圓心相同，布置不意如圖6所不。將丨旦溫場銅板 平面覆蓋在紅外燈陣上面，給定溫度點(diǎn)和溫度變化曲線，調(diào)試恒溫場子系統(tǒng)，并采集S型標(biāo) 準(zhǔn)熱電偶及Κ型熱電偶的測溫?cái)?shù)據(jù)，使得恒溫場溫度均勻度、穩(wěn)定溫度和溫度跟隨滿足試 驗(yàn)要求，本次標(biāo)定要求溫度均勻度在±3°C以內(nèi)、穩(wěn)定溫度在0. 1°C以內(nèi)，溫度跟隨與變化 曲線最大偏差在10 °c以內(nèi)。
[0054] 第四步，調(diào)試恒溫場子系統(tǒng)滿足試驗(yàn)要求后，將3支熱電偶插入小型防熱層結(jié)構(gòu) 塊后，一起安裝至恒溫場銅板平面在周圍布置有1支標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶和4支K型熱電偶的 圓周中心處。為確保小型防熱層結(jié)構(gòu)塊與恒溫場銅板平面緊密貼合，采用開有Φ50_圓洞 的鋼板壓緊小型防熱層結(jié)構(gòu)塊，壓緊鋼板與恒溫場銅板平面之間采用石墨氈隔熱，并采用 小型鋼塊壓緊待標(biāo)定鎧裝熱電偶以保證其平底與恒溫場銅板平面緊密貼合。待標(biāo)定鎧裝熱 電偶及小型防熱層結(jié)構(gòu)塊在平面恒溫場子系統(tǒng)上安裝最終狀態(tài)如圖7所示。
[0055] 第五步，將待標(biāo)定熱電偶甩線與溫度采集子系統(tǒng)連接好，并處理好鎧裝熱電偶冷 端。標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)加電開機(jī)，在待標(biāo)定銷裝熱電偶測量范圍〇°C~550°C范圍內(nèi)選取5個(gè)標(biāo) 定溫度點(diǎn)，即T1 (室溫）、T2、T3、T4和T5 (550°C )。按照標(biāo)定溫度點(diǎn)從低到高的順序輸入 給溫度跟隨子系統(tǒng)，溫度跟隨子系統(tǒng)控制紅外燈陣熱量輸出，在每個(gè)標(biāo)定溫度點(diǎn)當(dāng)恒溫場 銅板平面上S型熱電偶的測量值偏離給定值在±2°C范圍內(nèi)，溫度變化每分鐘不超過0. 1°C 時(shí)，開始讀數(shù)，記錄1支S型熱電偶和3支待標(biāo)定鎧裝熱電偶及其他K型熱電偶的測量數(shù)據(jù)， 其中，S型熱電偶和1支待標(biāo)定銷裝熱電偶的讀數(shù)示例如表1所示。表1是在給定標(biāo)定溫 度點(diǎn)情況下S型熱電偶和待標(biāo)定鎧裝熱電偶的讀數(shù)示例。
[0056] 表 1

[0058] 第六步，在所有溫度點(diǎn)標(biāo)定完成后，標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)斷電，更換防熱層結(jié)構(gòu)塊，重新 按照上面的第四步的要求和狀態(tài)在恒溫場銅板平面上安裝待標(biāo)定鎧裝熱電偶及新的防熱 層結(jié)構(gòu)塊。待標(biāo)定鎧裝熱電偶測量對象的溫度變化曲線可根據(jù)返回器風(fēng)洞試驗(yàn)獲取，由返 回器研制單位提供，將溫度變化曲線（如圖8所示）輸入給溫度跟隨子系統(tǒng)。標(biāo)定試驗(yàn)系 統(tǒng)重新加電開機(jī)，溫度跟隨子系統(tǒng)控制紅外燈陣熱量輸出，恒溫場銅板平面溫度按照給定 溫度變化曲線由室溫升至最高溫度，過程中記錄1支S型熱電偶和3支待標(biāo)定鎧裝熱電偶 及其他K型熱電偶的測量數(shù)據(jù)，其中S型熱電偶和1支待標(biāo)定鎧裝熱電偶的讀數(shù)示例見如 下的表2。表2是在給定溫度變化曲線情況下S型熱電偶和待標(biāo)定鎧裝熱電偶的讀數(shù)示例。
[0059] 表 2
[0060]
[0061] 第七步，對表1中給定的標(biāo)定溫度點(diǎn)的標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到待標(biāo)定熱電 偶的溫度測量轉(zhuǎn)換公式。該轉(zhuǎn)換公式為分段線性公式，可分為〇~al、al~a2、a2~a3、 a3~a4和a4~a5等5段，以al~a2為例，可利用標(biāo)定數(shù)據(jù)得到待標(biāo)定銷裝熱電偶在 al~a2之間的溫度測量轉(zhuǎn)換公式如以下的公式1 :
[0063] 其中，T為待標(biāo)定鎧裝熱電偶的溫度（單位：°C )，a為待標(biāo)定鎧裝熱電偶測到的 電動勢（單位：μ V)。同理可得到其他段內(nèi)待標(biāo)定鎧裝熱電偶測量電動勢到溫度的轉(zhuǎn)換公 式。
[0064] 第八步，得到待標(biāo)定鎧裝熱電偶溫度測量轉(zhuǎn)換公式后，將表2中的待標(biāo)定鎧裝熱 電偶所測電動勢轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，表示為?\，?ν··Τ Ν1，ΤΝ，與表2中的標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的溫 度測量值進(jìn)行比較做差，得到待標(biāo)定鎧裝熱電偶在軌測量返回器再入大氣層時(shí)防熱層相應(yīng) 位置溫度的誤差，計(jì)算公式見以下的公式2,誤差變化曲線如圖9所示。
[0065] ΔΤη= Sn_Tn，n = 1，2，...Ν_1，Ν 公式 2
[0066] 第九步，如圖9所示，待標(biāo)定鎧裝熱電偶在軌測量返回器防熱層溫度的誤差曲線 近似直線，采用二次多項(xiàng)式（以下的公式3)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合后的曲線 與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖10所示，擬合系數(shù)及最大偏差見以下的表3。表3是待標(biāo)定鎧裝熱 電偶在軌測量返回器防熱層溫度誤差公式的擬合系數(shù)及最大偏差。
[0067] Δ T = a〇+a1X+a2X2 公式 3
[0068] 其中，Δ T為待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫偏差（單位：°C )，X為待標(biāo)定鎧裝熱電偶 測量溫度（單位：°C )。
[0069] 表 3
[0070]
[0071] 第十步，在得到溫度測量轉(zhuǎn)換公式及在軌測溫誤差擬合公式后，已完成了對待標(biāo) 定鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定。在軌測得電動勢后，先利用公式1得到溫度量，然后利用公式3 對溫度量進(jìn)行誤差修正。
[0072] 綜上所述，通過本發(fā)明的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，既解決了微型鎧裝熱 電偶的地面標(biāo)定問題，又能模擬器上工作環(huán)境，標(biāo)定出在軌測溫誤差，從而修正了在軌測量 數(shù)據(jù)。
[0073] 本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，用于對溫度呈梯度式分布且同一深度溫度變 化快的防熱結(jié)構(gòu)測溫用的微型鎧裝熱電偶進(jìn)行地面標(biāo)定，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，設(shè)計(jì)一套適用于所述微型鎧裝熱電偶的標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)并制作用于提供模擬器 上安裝環(huán)境的防熱層結(jié)構(gòu)塊； 步驟二，對待標(biāo)定鎧裝熱電偶和所述防熱層結(jié)構(gòu)塊進(jìn)行安裝和配置，從而進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn) 備工作； 步驟三，相對于不同的防熱層結(jié)構(gòu)塊，記錄以溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)標(biāo)定的所述待標(biāo)定銷裝熱 電偶與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和以溫度變化曲線為基準(zhǔn)標(biāo)定的所述待標(biāo)定鎧 裝熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶的溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)；以及 步驟四，將所述溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和所述溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和處理，以獲 得所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的溫度測量轉(zhuǎn)換公式和在軌測溫誤差公式，從而完成地面標(biāo)定操 作。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于，在所述步驟 一中執(zhí)行： 設(shè)計(jì)所述標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)，從而為所述微型鎧裝熱電偶提供至少包括平面恒溫環(huán)境、在 軌被測位置溫度變化模擬和溫度采集的條件功能；以及 采用與返回器上防熱層相同的材料，制作小型的所述防熱層結(jié)構(gòu)塊并在其上鉆取安裝 通孔。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于， 所述標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)至少包括：平面恒溫場、溫度跟隨子系統(tǒng)、和溫度采集子系統(tǒng)， 所述防熱層結(jié)構(gòu)塊的厚度與所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的安裝深度相同， 所述安裝通孔的直徑與所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫端相同，以及 所述防熱層結(jié)構(gòu)塊提供了模擬的器上安裝環(huán)境，從而使所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫 端的熱傳導(dǎo)條件與在軌工作時(shí)保持一致。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于，在所述步驟 二中執(zhí)行： 將多支K型熱電偶和1支I級標(biāo)準(zhǔn)的S型熱電偶規(guī)律地布置在所述平面恒溫場的銅板 表面上； 輸入待標(biāo)定的溫度點(diǎn)和溫度變化曲線，以對所述平面恒溫場的溫度均勻性和所述溫度 跟隨子系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，從而滿足標(biāo)定試驗(yàn)的要求； 將所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶仿照器上安裝方式，插入所述小型的防熱層結(jié)構(gòu)塊的所述安 裝通孔；以及 將裝有所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的所述防熱層結(jié)構(gòu)塊安裝到所述平面恒溫場上，使所述 待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫端面和所述防熱層結(jié)構(gòu)塊與所述平面恒溫場緊密貼合，從而確保 所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫端熱環(huán)境與在軌工作環(huán)境一致。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于， 所述K型熱電偶為鎳鉻-鎳硅裸偶， 所述K型熱電偶的測溫?cái)?shù)據(jù)用于監(jiān)測所述平面恒溫場的溫度均勻性，以及 所述S型熱電偶的測溫?cái)?shù)據(jù)用于作為標(biāo)定參照。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟三 包括： 在所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫要求范圍內(nèi)選擇三個(gè)以上的溫度點(diǎn)并從低到高逐個(gè) 進(jìn)行標(biāo)定；以及 當(dāng)所述平面恒溫場的溫度升高至與給定溫度一致并保持恒定后，記錄所述待標(biāo)定鎧裝 熱電偶與所述S型熱電偶的溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)， 其中，相對于每個(gè)溫度點(diǎn)，測溫的操作至少執(zhí)行四次。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟三 還包括： 更換所述防熱層結(jié)構(gòu)塊，并重新在所述平面恒溫場上安裝所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶和更 換后的新防熱層結(jié)構(gòu)塊； 通過所述溫度跟隨子系統(tǒng)控制所述平面恒溫場的溫度按照給定的溫度變化曲線來變 化；以及 記錄在所述平面恒溫場的溫度變化過程中所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶與所述S型熱電偶 的溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于，在所述步驟 四中執(zhí)行： 將所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶與所述S型熱電偶的所述溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)和所述溫度變化 曲線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對； 對所述溫度點(diǎn)測量數(shù)據(jù)采用分段線性計(jì)算處理，從而得到所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的溫 度測量轉(zhuǎn)換公式；以及 對所述溫度變化曲線測量數(shù)據(jù)采用誤差最小二乘擬合處理，從而得到所述待標(biāo)定鎧裝 熱電偶的在軌測溫誤差公式。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于， 所述溫度測量轉(zhuǎn)換公式為：其中，T為所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測量溫度并且單位為°C，a為所述待標(biāo)定鎧裝熱電 偶的測量電動勢并且單位為μ V，ajp a 2為溫度點(diǎn)且a 2> a p kdP b i為溫度測量轉(zhuǎn)換公式 的系數(shù)，以及Si為第1個(gè)標(biāo)定溫度點(diǎn)的所述S型熱電偶的測量溫度， 所述在軌測溫誤差擬合公式為：ATn= Sn-Tn，n = 1，2，…N-1，N， 其中，AT為所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測溫偏差并且單位為°C，Sn為所述S型熱電偶的 第η個(gè)測量溫度，1；為所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的第η個(gè)測量溫度，以及 所述最小二乘擬合處理所采用的二次多項(xiàng)式為：AT = afaj+aj2， 其中，a。、ai、&2為所述在軌測溫誤差擬合公式的系數(shù)，以及X為所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶 的測量溫度。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的微型鎧裝熱電偶的地面標(biāo)定方法，其特征在于，還包括： 在獲得所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的在軌電動勢之后，利用所述溫度測量轉(zhuǎn)換公式計(jì)算獲 得所述待標(biāo)定鎧裝熱電偶的測量溫度量；以及 利用所述在軌測溫誤差公式對所述測量溫度量進(jìn)行誤差修正。
【文檔編號】G01K15/00GK105865658SQ201510036096
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年1月23日
【發(fā)明人】陳麗平, 顧征, 王彤, 鄒昕, 吳建強(qiáng), 薛博, 李海飛, 范宇江
【申請人】北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部